[发明专利]基于DEM三维特征分布的滑动窗口检测方法

权利要求书

1.基于DEM三维特征分布的滑动窗口检测方法，具体步骤如下，其特征在于；

步骤一，业务场景与基本定义；

在干散料码头、仓库中，散料的堆放为倾倒或抓斗抛放形成，其三维分布既连续又极不规则，工业级干散料无人值守装运业务，要求系统安全、高效，干散堆料的变化较快，要保证安全，要根据现场抓斗抓取姿态与堆料分布情况，建立三维特征分布与安全关系模型，在安全的情况下方可抓取；在抓取质量方面，对每一次抓取位的堆料分布情况建模；

根据建模需要，做如下基本定义：

(1)单元窗口：整个堆料区域划分为M×N个基本方格，称为单元窗口，每个单元窗口为边长为l的正方形，整个区域可视作一个三维矩阵A_mn，每个单元窗口A_mn的平均高度为H_mn(m∈(1…M)，n∈(1…N))；

(2)抓取窗口：在抓斗抓取物料时，抓斗完全张开时抓取范围在平面上的投影称为抓取窗口，假设堆料区域A_mn分成个抓取窗口，对于任何抓取窗口其包含P×Q个单元窗口；

(3)抓取子窗口：为表示三维分布特征，将任何一个抓取窗口W_pq划分为多个子窗口，每个子窗口包含U×V个单元窗口，称为抓取子窗口W_uv，位于抓取窗口中心位置的虚拟子窗口W_c称为中心子窗口，实际应用中，子窗口数量划分越细，数据表达越精确；

(4)质量分布向心度(AFF_uv)：表示任何一个子窗口W_uv堆料量以及离抓取窗口中心聚集的程度，如果抓取窗口高度越高、物料离中心点越近，其向心度越高；

(5)滑动窗口：为寻找物料分布满足安全与特征分布较好的抓取位置，按抓取窗口的大小，每隔S行、T列动态滑动此窗口，记录滑动过程中所有窗口的p、q值及特征分布数据，此窗口称之为滑动窗口；

步骤二质量特征分布及安全关系模型；

对于任何一个抓取窗口，其包含P×Q个单元窗口，则窗口W_pq为：

在W_pq窗口抓取作业时，其抓取方式中物料集中在中心一带最有利，如果抓取窗口的物料分布为中间凹，抓取的量较少，达不到抓取效果与效率要求，当大斜坡方向与抓斗长边方向一致时，抓取量介于两者之间，同时易产生动滑轮脱槽的安全风险；

要保证每一次抓取质量满足要求，设计抓取窗口W_pq的特征参数与特征模型，为方便表达抓取窗口的物料分布情况，从以下几个特征值来考虑：

1、中心平均高度，对于窗口W_pq来讲，其抓取分布于式(1)所在的区域，假设在各窗口的物料分布在P_x∈[l₁，l₂]中心带，对于连续分布的干散料来讲，在总量一定时，中心带的平均高度HS_z能较好的反应物料分布好坏的一个特征；

2、质量分布向心度，将抓取窗口W_pq分为多个抓取子窗口W_uv，每一个子窗口W_uv包含U×V个单元窗口，对于任何一个窗口W_uv，其中心离W_pq线的垂直距离为l_uv，且HS_z越大、l_uv越小，其质量分布向心度越好，即形成“峰”状分布，即特征值与HS_z乘积越大，抓取效果越好，当子窗口在[1，l₁]与[l₂，P]范围时，对抓取不利；

根据上述分析，定论质量分布向心度为：

AFF_uv＝α*HS_z*D_uv (式2)

其中，α值为：

对于整个抓取窗口，其质量分布向心度为所有子窗口向心度之和的平均值，由此可得：

根据式(2)，可以求出任何一个子窗口的质量分布向心度值，用于评测在此窗口在抓取时是否满足抓取效果，如果满足则实施抓取动作，否则通过滑动窗口，找到合适的抓取窗口位置；

对于任意一个抓取窗口W_pq，抓取时抓斗倾斜度越小抓取越安全，出现安全事故的机率越低，细颗粒散料的理想分布的情况是中间高、四周低，即P_x∈[l₁，l₂]时，抓取安全且效果好；

为分析安全关系，将整个窗口分为中心带WZ_c、周边四个子窗口WZ_k(k∈[1，4])，则对于任何一个周边子窗口WZ_k，中心带WZ_c为：

其中，WZ_c的中心点位于((1+P)/2，(yWc+1+Q/2))，抓取窗口可表示为：用W_n表示HS_z高于各子窗口WZ_k平均高度的数量，W_n＝2时最危险，W_n＝3次之，当W_n＝4时最安全，四个周边子窗口的根据抓斗长边左右两边的位置，分为WL_pq和WR_pq，即W_pq＝(WL_pq WR_pq)，假设HL_pq、HR_pq表示W_pq左右两边窗口的均高，SW_pq表示W_pq的安全特征系数，则SW_pq可表示为：

SW_pq＝β*HS_z/abs(HL_pq-HR_pq) (式6)

式(6)中，当W_n＝2或W_n＝3，左右两边的子窗口高度相差达到某一危险值H_d时，会发生安全事故，安全情况，此时β＝0，其它情况下，β＝1，由式6可知，SW_pq值越大，越安全；

步骤三滑动窗口算法；

如果规则的划分各抓取窗口，SW_pq与AFF_pq同时符合抓取要求的W_pq并不多，从全局上看，有些窗口经过移动之后，很容易满足两个条件要求，因此，从第一个窗口W₁₁开始，每次下、右移动S、T个单元窗口位置，计算其质量向心度与安全特征值，一直到所有满足滑动的窗口计算完成，则每个滑动窗口的位置为：

2.根据权利要求1所述的基于DEM三维特征分布的滑动窗口检测方法，其特征在于，单元窗口中定义M＝33，N＝99，共33*99个单元窗口，设P＝8，Q＝16，U＝2，V＝4，则全场可划分为共24个抓取窗口，每个窗口又划分为8个子窗口。